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正电子湮没技术
概述
❖ 正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique， 简称PAT)是一门六十年代迅速发展起来的新学科。
❖ 通过测量正电子与材料中电子湮没时所发射出的射
线的角度、能量以及正电子与电子湮没前的寿命， 来研究材料的电子结构和缺陷结构。
❖ 制样方法简便，适应的材料广泛，通过射线带出信
❖ 测量1.28MeV的光子与0.511MeV的光子之间的时
间间隔，就可得到正电子寿命谱。
❖ 22Na放射源的半衰期较长，为2.6年，且使用方便， 因此用于正电子寿命谱测量的放射源几乎全是22Na 源。
22Na (2.6Y)
545keV(90%) 1276keV
图2. 22Na的衰变图
1.82MeV(<0.05%)
❖ 在实验室坐标系中，由于湮没对的动量不为
零，两个光子运动的方向会偏离共直线，如
图1所示。
湮没过程中动量守恒矢量图
PL
P 2= m
0c -P L/2
P
PT
P 1= m 0c + P L/2
PT /m0c
因为热化后的正电子动量 几乎为零，所以测量的角 关联曲线描述了物质中被 湮没的电子的动量分布。
多普勒能移
的精Hale Waihona Puke Baidu结构。
3湮没转换为2湮没
❖ 在介质中，o-Ps原子中的正电子可以拾起 (pich-off)环境中的电子以更快的速率湮没， 即拾起湮没或碰撞湮没(pich-off annihilation)。 这导致材料中o-Ps的寿命大大小于140ns的 本征寿命而通常只有1-10ns，所以可以利用 拾起湮没追踪化学反应过程。
泛研究了正电子在固体中的湮没
❖ 1974年O. E. Mogensen提出形成Ps的激励团模型(Spur Model) ❖ 1974年S. L. Varghese和E. S. Ensberq，V. W. He和I. Lindqre从n=1用
光激发而形成n=2的Ps ❖ 1975年K. F. Canter，A. P. MiLLs和S. Berko观测了Ps拉曼-辐射和n=2
息有利于现场测量特点，在固体物理、材料科学及 物理冶金和化学等领域得到了越来越广泛的应用。
正电子发展历史
❖ 1939年狄拉克从理论上预言正电子的存在 ❖ 1932年安德森，1933年Blackett和Occhian Line从实验上观测到正电子
的存在
❖ 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态 ❖ 1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产生 ❖ 1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps) ❖ 1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的Ore模型 ❖ 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在 ❖ 1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中正电子湮没的复杂谱 ❖ 1956年R. A. Ferrell提出在固体和液体中形成Ps的改进后的Ore模型；广
❖ 在固体中，只有在原子或分子间较宽阔的材 料如聚合物中，或在某些金属的表面才有可 能形成Ps。
正电子的寿命
❖ 自由正电子在其运动速度v远小于光速c时， 单位时间发生2湮没的几率为：r02cne
式中r0是经典电子半径，c为光速，ne是正电 子所在处的电子密度。
❖ 通常把简称为湮没率，将其倒数定义为正电
+衰变有90％的分支比，衰变 能量为545keV。另一个+衰变
能量为1.82MeV，因为此分支 比只占0.05%而太低，因此无实 际意义。
22Na衰变放出+粒子的同时级
联放出一条能量为1.28MeV的 射线，因激发态寿命仅为3ps， 所以可以把此射线看作是+粒 子同时产生的事件。因此 1.28MeV的射线作为谱仪时间 测量的起始点。
❖ 湮没对的运动还会引起在实验室坐标系中测得的湮 没光子能量的多普勒移动。频移为： vL c
❖ 其中vL是湮没对质心的纵向速度，等于PL/2m0，由 于光子能量正比于它的频率，可以得到能量为m0c2 时，其多普勒能移为： E (V Lc)E cL P /2
❖ 湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以 测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研 究物质微观结构的变化。
准直器
单道分析器
符合电路
单道分析器
计数器
图3、长缝几何型角关联装置
图4、多普勒展宽谱仪原理图
主放大器
负高压 前置放大器
高纯锗 探头
多道
液氮
高压电源
探 头
恒比甄别器
583
延时
起
始
源和样品 符合 电路
探 头
高压电源
恒比甄别器 583
门 时—幅 转换器
终 止 延时
918多道
IBM— PC
图5、快—快符合正电子湮没寿命谱仪方框图
子的寿命，即： 1
❖ 正电子寿命反比于ne，就是说正电子所“看
见”的电子密度越低，则其寿命越长。
湮没对的动量守恒
❖ 正电子和电子的湮没特性不仅与介质中电子 浓度有关，还和电子动量分布有关。
❖ 湮没对的动能一般为几个eV。在它们的质心 坐标系中，光子的能量精确地为0.511MeV，
并且两个光子严格地向相反方向运动。
正电子在固体物质中的注入
❖ 从放射源或束流中发射出来的低能正电子进入固态材料后， 在约几个ps的时间内通过与物质原子的各种非弹性散射作用 （包括电子电离，等离子体激发，正电子—电子碰撞，正电 子—声子相互作用等元激发过程）损失能量，并迅速与周围 环境达到热平衡。正电子的深度分布近似满足下面的指数关 系：
正电子湮没三种实验方法
❖ 固体中正电子和多电子系统的湮没特性，可
以分别通过测量两个光子之间的夹角、射
线的能量间隔三种方法进行研究。这三种方 法分别称为：
1. 2角关联测量，
2. 多普勒线形展宽谱 3. 正电子寿命谱。
典型的2湮没角关联测量系统
z
固定探头
准直器 样品
y x
准直器
移动探头
准直器 放射源
正电子放射源
❖ 正电子湮没实验中通常所用正电子源为放射性同位
素22Na，这种+源的特点是在其发生+衰变而放出 一个正电子的同时发射出另外一个光子，光子的 能量为1.28MeV，因此这个光子的出现可看作正电
子产生的时间零点信号。正电子在样品中湮没后发
出能量为0.511MeV光子是湮没事件的终止信号。
概述
❖ 正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique， 简称PAT)是一门六十年代迅速发展起来的新学科。
❖ 通过测量正电子与材料中电子湮没时所发射出的射
线的角度、能量以及正电子与电子湮没前的寿命， 来研究材料的电子结构和缺陷结构。
❖ 制样方法简便，适应的材料广泛，通过射线带出信
❖ 测量1.28MeV的光子与0.511MeV的光子之间的时
间间隔，就可得到正电子寿命谱。
❖ 22Na放射源的半衰期较长，为2.6年，且使用方便， 因此用于正电子寿命谱测量的放射源几乎全是22Na 源。
22Na (2.6Y)
545keV(90%) 1276keV
图2. 22Na的衰变图
1.82MeV(<0.05%)
❖ 在实验室坐标系中，由于湮没对的动量不为
零，两个光子运动的方向会偏离共直线，如
图1所示。
湮没过程中动量守恒矢量图
PL
P 2= m
0c -P L/2
P
PT
P 1= m 0c + P L/2
PT /m0c
因为热化后的正电子动量 几乎为零，所以测量的角 关联曲线描述了物质中被 湮没的电子的动量分布。
多普勒能移
的精Hale Waihona Puke Baidu结构。
3湮没转换为2湮没
❖ 在介质中，o-Ps原子中的正电子可以拾起 (pich-off)环境中的电子以更快的速率湮没， 即拾起湮没或碰撞湮没(pich-off annihilation)。 这导致材料中o-Ps的寿命大大小于140ns的 本征寿命而通常只有1-10ns，所以可以利用 拾起湮没追踪化学反应过程。
泛研究了正电子在固体中的湮没
❖ 1974年O. E. Mogensen提出形成Ps的激励团模型(Spur Model) ❖ 1974年S. L. Varghese和E. S. Ensberq，V. W. He和I. Lindqre从n=1用
光激发而形成n=2的Ps ❖ 1975年K. F. Canter，A. P. MiLLs和S. Berko观测了Ps拉曼-辐射和n=2
息有利于现场测量特点，在固体物理、材料科学及 物理冶金和化学等领域得到了越来越广泛的应用。
正电子发展历史
❖ 1939年狄拉克从理论上预言正电子的存在 ❖ 1932年安德森，1933年Blackett和Occhian Line从实验上观测到正电子
的存在
❖ 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态 ❖ 1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产生 ❖ 1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps) ❖ 1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的Ore模型 ❖ 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在 ❖ 1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中正电子湮没的复杂谱 ❖ 1956年R. A. Ferrell提出在固体和液体中形成Ps的改进后的Ore模型；广
❖ 在固体中，只有在原子或分子间较宽阔的材 料如聚合物中，或在某些金属的表面才有可 能形成Ps。
正电子的寿命
❖ 自由正电子在其运动速度v远小于光速c时， 单位时间发生2湮没的几率为：r02cne
式中r0是经典电子半径，c为光速，ne是正电 子所在处的电子密度。
❖ 通常把简称为湮没率，将其倒数定义为正电
+衰变有90％的分支比，衰变 能量为545keV。另一个+衰变
能量为1.82MeV，因为此分支 比只占0.05%而太低，因此无实 际意义。
22Na衰变放出+粒子的同时级
联放出一条能量为1.28MeV的 射线，因激发态寿命仅为3ps， 所以可以把此射线看作是+粒 子同时产生的事件。因此 1.28MeV的射线作为谱仪时间 测量的起始点。
❖ 湮没对的运动还会引起在实验室坐标系中测得的湮 没光子能量的多普勒移动。频移为： vL c
❖ 其中vL是湮没对质心的纵向速度，等于PL/2m0，由 于光子能量正比于它的频率，可以得到能量为m0c2 时，其多普勒能移为： E (V Lc)E cL P /2
❖ 湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以 测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研 究物质微观结构的变化。
准直器
单道分析器
符合电路
单道分析器
计数器
图3、长缝几何型角关联装置
图4、多普勒展宽谱仪原理图
主放大器
负高压 前置放大器
高纯锗 探头
多道
液氮
高压电源
探 头
恒比甄别器
583
延时
起
始
源和样品 符合 电路
探 头
高压电源
恒比甄别器 583
门 时—幅 转换器
终 止 延时
918多道
IBM— PC
图5、快—快符合正电子湮没寿命谱仪方框图
子的寿命，即： 1
❖ 正电子寿命反比于ne，就是说正电子所“看
见”的电子密度越低，则其寿命越长。
湮没对的动量守恒
❖ 正电子和电子的湮没特性不仅与介质中电子 浓度有关，还和电子动量分布有关。
❖ 湮没对的动能一般为几个eV。在它们的质心 坐标系中，光子的能量精确地为0.511MeV，
并且两个光子严格地向相反方向运动。
正电子在固体物质中的注入
❖ 从放射源或束流中发射出来的低能正电子进入固态材料后， 在约几个ps的时间内通过与物质原子的各种非弹性散射作用 （包括电子电离，等离子体激发，正电子—电子碰撞，正电 子—声子相互作用等元激发过程）损失能量，并迅速与周围 环境达到热平衡。正电子的深度分布近似满足下面的指数关 系：
正电子湮没三种实验方法
❖ 固体中正电子和多电子系统的湮没特性，可
以分别通过测量两个光子之间的夹角、射
线的能量间隔三种方法进行研究。这三种方 法分别称为：
1. 2角关联测量，
2. 多普勒线形展宽谱 3. 正电子寿命谱。
典型的2湮没角关联测量系统
z
固定探头
准直器 样品
y x
准直器
移动探头
准直器 放射源
正电子放射源
❖ 正电子湮没实验中通常所用正电子源为放射性同位
素22Na，这种+源的特点是在其发生+衰变而放出 一个正电子的同时发射出另外一个光子，光子的 能量为1.28MeV，因此这个光子的出现可看作正电
子产生的时间零点信号。正电子在样品中湮没后发
出能量为0.511MeV光子是湮没事件的终止信号。